一种参数化股骨模板的构建方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种数字股骨建模技术，具体涉及一种参数化股骨模板的构建方法，本发明属于计算机辅助设计领域。
【背景技术】
[0002]随着计算机数字技术和医学成像技术的迅速发展，计算机辅助骨科手术成为发展最为迅速的领域。利用相关的计算机技术进行骨科植入物和假体设计的研宄与应用在国内外受到广泛重视。股骨的病变与骨折是外科手术中最常见病例之一，其结构复杂性和形态不规则性是数字股骨建模研宄中最大的问题。常见的建模方法是:首先使用CT/MRI扫描获取样本数据，导入数据重建基于点云或者网格的数据模型，其次对点云或网格使用几何方法进行优化处理，最后生成股骨模型。其缺点主要包括:计算量大，缺乏高层语意，难以表示股骨各部分之间关系，对于股骨缺损部位无法精确重建。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种参数化股骨模板的构建方法，基于医学特征参数自动创建参数化股骨模板，能够通过参数直观、准确地表示股骨曲面形态，能够基于参数的修改生成一系列多样化股骨模型，对骨科手术中患者接骨板个性化设计有重要意义。
[0004]为解决上述问题，本发明具体采用以下技术方案:
[0005]一种参数化股骨模板的构建方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0006]步骤1:基于股骨各局部样条轮廓线，创建局部曲面模型，设计过渡曲面特征，光滑连接相邻局部曲面模型，构建股骨全局曲面模型，通过误差分析确保曲面精度；
[0007]步骤2:设计股骨参数，根据参数与局部曲面模型的关联性，实现调整单一参数修改局部曲面形态的功能；
[0008]步骤3:根据股骨参数间相关性，确定各局部曲面间联系，设计主体参数、细节参数，创建参数化股骨模板。
[0009]前述的一种参数化股骨模板的构建方法，其特征在于，所述步骤I包括以下步骤:
[0010]步骤la，切割股骨平均化网格模型，生成股骨局部样条轮廓线，使用半球方式或者蒙皮、填充、蒙皮与填充相结合的方式创建局部曲面模型；
[0011]步骤lb，设计过渡曲面特征，光滑连接步骤Ia中相邻的局部曲面模型，形成股骨的全局曲面模型；
[0012]步骤lc，对步骤Ia中局部曲面模型和步骤Ib中全局曲面模型进行误差分析，通过调整步骤Ia中轮廓线，提高局部曲面模型和全局曲面模型的精度。
[0013]前述的一种参数化股骨模板的构建方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤:
[0014]步骤2a，设计股骨参数，所述参数包括近端参数和远端参数；
[0015]步骤2b，根据步骤2a中设计的近端参数、远端参数与步骤Ia中局部曲面模型的关联性，调整近端或远端参数修改局部曲面形态。
[0016]前述的一种参数化股骨模板的构建方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤:
[0017]步骤3a，根据步骤2a中股骨参数间的相关性，确定步骤Ia中局部曲面间关联，设计主体参数，创建参数化股骨模板；
[0018]步骤3b，增加细节参数以进一步提高参数化股骨模板的曲面细节质量，优化步骤3a中参数化股骨模板。
[0019]前述的一种参数化股骨模板的构建方法，其特征在于，所述步骤I的步骤Ia中，所述局部曲面模型包括股骨头部、颈部、大转子部分、股骨干部分、远端髁部，股骨头部基于半球方式创建，颈部、大转子部分、股骨干部分、远端髁部使用蒙皮、填充或者二者相结合的方式创建。
[0020]前述的一种参数化股骨模板的构建方法，其特征在于，所述步骤I的步骤Ib中，所述全局曲面模型为由步骤Ia中所有局部曲面模型与过渡曲面所构成的表示完整股骨形态的曲面组合。
[0021]前述的一种参数化股骨模板的构建方法，其特征在于，所述步骤2的步骤2a中，所述近端参数包括头半径大小(Cl，即头部拟合球半径)、颈干角角度(C2，即颈部轴线与股骨干上端轴线的夹角)、颈部长度(C3，即股骨头球心到颈部轴线与股骨干上端轴线焦点的距离)、颈半径大小(C4，即颈部峡部截面拟合圆的半径)、偏心距长度(C5，即股骨头球心到股骨干上端轴线的垂直距离)、T-20横径长度(C6，小转子点与股骨干上端轴线所在平面与小转子下20mm出截面线的两交点间距离)、股骨头高度(C7，即股骨头球心到小转子所在截面的垂直距离)。所述远端参数包括:股骨长度(Al，即大转子最高点至髁部最低点的垂直距离)、髁上轴长度(BI，即髁部最内侧和最外侧两点间距离)、外髁高度(B2，即前髁线外侧顶点到后髁线与股骨干轴线方向所构成的平面的垂直距离)、内髁高度(B3，即前髁线内侧顶点到后髁线与股骨干轴线方向所构成的平面的垂直距离)、前髁线长度(B4，即前髁内外侧两最高点间距离)、后髁线长度(B5，即后髁内外侧两最高点间距离)、外髁倾角角度(B6，即前髁外侧点与后髁外侧点间连线与后髁线的夹角)、内髁倾角角度(B7，即前髁内侧点与后髁内侧点间连线与后髁线的夹角)、滑车沟高度(B8，即滑车沟顶点到后髁线与股骨干轴线方向所构成的平面的垂直距离)、滑车沟角角度(B9，即前髁外侧点、滑车沟点、前髁内侧点三点间夹角)、横径长度(B10，即髁上轴在后髁线上的投影距离)。
[0022]前述的一种参数化股骨模板的构建方法，其特征在于，所述步骤2的步骤2b中，可以修改局部曲面形态的参数包括股骨长度(Al)、髁上轴长度(BI)、外髁高度(B2)、头半径大小(Cl)、颈部长度(C3)、颈半径大小(C4)、偏心距长度(C5)。
[0023]前述的一种参数化股骨模板的构建方法，其特征在于，所述步骤3的步骤3a中，所述股骨参数间的相关性通过相对平均模型构建，所述主体参数为股骨长度(Al)，股骨长度(Al)的变化率等比于髁上轴长度(BI)、外髁高度(B2)、头半径大小(Cl)、颈部长度(C3)、颈半径大小(C4)、偏心距长度(C5)，所述局部曲面间关联为当参数调整时，与参数相对应的局部曲面中的相关曲面同时变形。
[0024]前述的一种参数化股骨模板的构建方法，其特征在于，所述步骤3的步骤3b中，所述细节参数包括滑车沟高度(B8)、颈干角角度(C2)、T-20横径长度(C6)。
[0025]本发明的有益效果:本发明提供的一种参数化股骨模板的构建方法，基于参数化模板自动创建股骨曲面模型，系统运行效率高，同时支持股骨曲面的个性化设计。本发明应用于医学骨科手术与医药器材制造领域，能够通过参数直观、准确地表示股骨曲面形态，指导针对患者股骨特征的个性化接骨板设计，对模拟手术和提高手术效果具有重要意义。
【附图说明】
[0026]图1是本发明中一种参数化股骨模板的构建方法流程图；
[0027]图2是本发明中股骨曲面创建过程示意图；
[0028]图3是本发明中股骨近端参数化识别示意图；
[0029]图4是本发明中股骨远端参数化识别示意图；
[0030]图5是本发明中局部参数对股骨曲面的影响对比示意图；
[0031]图6是本发明中增加细节参数前后股骨曲面模型对比示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0033]如图1所示，一种参数化股骨模板的构建方法，可以概括为主要包括以下几个步骤:
[0034]步骤1:基于股骨各局部样条轮廓线，创建局部曲面模型，设计过渡曲面特征，光滑连接相邻局部曲面模型，构建股骨全局曲面模型，通过误差分析确保曲面精度；
[0035]步骤2:设计股骨参数，根据参数与局部曲面模型的关联性，调整股骨参数中的单一参数修改局部曲面形态；
[0036]步骤3:根据股骨参数间相关性，确定各局部曲面间联系，设计主体参数、细节参数，创建参数化股骨模板。
[0037]具体的，首先，基于股骨各局部样条轮廓线，创建局部曲面模型，设计过渡曲面特征，光滑连接相邻局部曲面模型，构建股骨全局曲面模型，通过误差分析确保曲面精度，包括以下步骤:
[0038]步骤la，切割股骨平均化网格模型，生成股骨局部样条轮廓线，使用半球方式或者蒙皮、填充、蒙皮与填充相结合的方式创建局部曲面模型；
[0039]步骤lb，设计过渡曲面特征，光滑连接步骤Ia中相邻的局部曲面模型，形成股骨的全局曲面模型；
[0040]步骤lc，对步骤Ia中局部曲面模型和步骤Ib中全局曲面模型进行误差分析，通过调整步骤Ia中轮廓线，提高局部曲面模型和全局曲面模型的精度。
[0041]然后，对股骨进行参数化设计，确定各参数与局部曲面模型的关联性，实现通过单一参数的变化调整局部曲面形态，包括以下步骤:
[0042]步骤2a，设计股骨参数，对股骨近端和远端曲面特征进行参数化设计，所述参数包括近端参数和远端参数，近端参数包括头半径大小(Cl)、颈干角角度(C2)、颈部长度(C3)、颈半径大小(C4)、偏心距长度(C5)、T-20横径长度(C6)、股骨头高度(C7)，所述远端参数包括股骨长度(Al)、髁上轴长度(BI)、外髁高度(B2)、内髁高度(B3)、前髁线长度(B4)、后髁线长度(B5)、外髁倾角角度(B6)、内髁倾角角度(B7)、滑车沟高度(B8)、滑车沟角角度(B9)、横径长度(BlO)；
[0043]步骤2b，根据步骤2a中设计的近端参数、